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无容器技术——开发新材料的利器
更新时间:2015/2/8 15:25:15

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空间材料科学,作为空间科学与应用领域中的重要分支,是传统的材料科学向空间环境下的延伸,是发展材料科学新理论、探索材料制备新工艺和拓展材料应用新领域中最活跃的前沿性交叉学科之一。空间具有微重力、超真空、无容器和强辐射等特殊效应,是研究材料熔融、凝固等的理想实验条件,但是,人们迄今所能利用的空间资源仍然十分有限。因此,模拟空间环境中各种效应的地面方法应运而生。悬浮技术就是其中之一,它可以模拟空间环境中的无容器状态。悬浮无容器技术就是利用外界物理场产生的作用力来抵消物体的重力,从而使物体处于一个无接触、无容器的状态。它避免了坩埚对材料表面的接触与污染,能够抑制异质形核,获得深过冷,是制备高纯亚稳态新型功能材料的有效手段。图1是有容器和无容器技术凝固过程示意图。悬浮无容器技术主要有声悬浮、静电悬浮、磁悬浮、光悬浮、电磁悬浮和气悬浮等方式,下面简单介绍下几种常用的悬浮技术。

图1有容器和无容器凝固过程示意图

声悬浮是利用高强声波产生的作用力来抵抗重力从而实现物体悬浮的,声波产生的这种力称为声辐射压力。在线性声学中,声压随时间呈周期性变化,声压在一个周期的时间平均值为零。但是,在高声强条件下,声波的非线性效应变得越来越显著,会在声压中引起一个"直流"项,这一项的时间平均值具有固定的方向和大小,从而产生声辐射压力。

静电悬浮是利用静电场中带有静电的样品受到的库仑力来抵消重力,实现无容器状态。根据Earnshaw定理,静电场不存在三维最小静电势,所以要实现稳定悬浮就必须结合负反馈控制系统。静电悬浮前样品必须预极化,主要有三种方式:静电感应带电、光电效应带电和热电子发射带电,三种方式结合使用才能实现样品的稳定悬浮。由于静电悬浮的无容器、高真空、高温和可实现稳定悬浮,因此在熔体的热物性、冷却与凝固、材料的合成与制备和空间实验等方面已经有初步的应用。但是,静电悬浮设备庞大复杂,造价昂贵。

电磁悬浮是利用强电磁场波来悬浮和定位导电材料,当导电样品置于电磁场中时,将会在样品中诱导产生涡流。由于诱导电流和电磁场的接触,将有一个力作用于样品,这个力可以克服重力而使物体处于平衡状态。这种诱导涡流通过欧姆损失产生焦耳热,因此,如果没有冷却系统,样品可被加热到熔化。在样品中的电磁力将会诱导熔融试样的流动。所以,电磁悬浮有两大限制:(1)只能是导电样品;(2)样品能够内部加热。

气悬浮是通过控制从一定结构的喷嘴喷射出的高速气流来实现样品悬浮的,悬浮力来源于气流掠过样品表面时的动量减少。气悬浮能够悬浮起其他悬浮方法所不能悬浮的致密材料,已经有利用气悬浮测量熔体的物性、研究高温下材料处理的报道。

由于无容器技术的独特性,在开发亚稳态材料和新型功能材料领域具有相当的优势。利用无容器技术的无坩埚、无接触,结合熔体的表面张力的约束作用,可开发出光学性能优良、具有理想球面、常规条件难以制备的新型玻璃材料。无容器技术避免了容器壁的接触和污染,通过材料的熔融挥发可去除杂质,因此,可用于制备高纯材料,这就有利于获得高活性、可降解性的生物材料。此外,通过对无容器开发的新型材料进行后处理,还可以获得发光性能良好和高介电常数的功能材料。

图2是以上四种悬浮无容器技术工作时的示意图。气悬浮技术操作简单、成本低廉、无需反馈系统、对材料电性能无要求,因此广泛用于材料的无容器处理与研究。图3是气悬浮无容器技术的工作原理示意图。从图中可以看到,高速可控气流自下而上对样品进行作用,使样品稳定悬浮在喷嘴中,激光自上而下对样品进行加热熔化。熔体通过自身的表面张力而被约束为球形,待到熔体均一稳定后,关闭激光,深过冷的熔体快速冷却,凝固成常规条件下难以制备的玻璃体。

图2 常用悬浮无容器技术工作示意图

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